叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計研究

劉俊紅

摘要：發(fā)動機是叉車的核心部件之一，對叉車工作效率、穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，發(fā)動機在工作過程中需要保持在合理的溫度范圍內(nèi)，過高或者過低都會造成發(fā)動機工作不正常，冷卻系統(tǒng)的應用有效確保了叉車發(fā)動機的工作溫度，現(xiàn)有的叉車發(fā)動機散熱器采用串聯(lián)式組合結(jié)構，實際散熱效果不理想，為此，采用并聯(lián)方式，對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，保證發(fā)動機正常工作。

關鍵詞：叉車;發(fā)動機;冷卻系統(tǒng)

0? 引言

叉車發(fā)動機在工作過程中，內(nèi)部工作環(huán)境不僅復雜，而且較為惡劣，需要承受較高的溫度，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的主要作用是確保發(fā)動機在任何工作環(huán)境下都能夠處于規(guī)定的溫度區(qū)間內(nèi)，換言之，冷卻系統(tǒng)不僅要防止發(fā)動機溫度過高，同時也要避免發(fā)動機在低溫環(huán)境下溫度過低。當發(fā)動機溫度超過標準區(qū)間后，會造成充氣效率降低，內(nèi)部燃燒不充分，并影響到發(fā)動機內(nèi)部機構的配合間隙，容易引發(fā)機油變質(zhì)，造成發(fā)動機內(nèi)部非正常磨損，甚至還可能導致發(fā)動機拉缸;當發(fā)動機工作溫度低于正常工作溫度時，會造成發(fā)動機功率降低，耗油量提升，內(nèi)部機油潤滑性降低，提高發(fā)動機內(nèi)部運行阻力等，因此，當叉車在冷啟動后，冷卻系統(tǒng)還需要實現(xiàn)發(fā)動機的快速升溫，盡快達到正常工作溫度。正常來說，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分為了水冷以及風冷兩種，叉車發(fā)動機主要以水冷為主，正常工作時發(fā)動機水溫一般處于85℃至95℃區(qū)間內(nèi)。當水冷發(fā)動機的水溫過高時，會影響到發(fā)動機性能發(fā)揮，為此提高發(fā)動機冷卻系統(tǒng)效能，保證發(fā)動機溫度處于正常區(qū)間非常重要。本文對叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行改進，對散熱器結(jié)構進行優(yōu)化設計，讓發(fā)動機能夠穩(wěn)定處于正常溫度區(qū)間內(nèi)。

1? 具體問題分析

為了在單位時間內(nèi)進入更多的空氣，叉車發(fā)動機往往裝配有渦輪增壓裝置，在進行該類發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設中，還應當要設置附加部件中冷器，保障發(fā)動機進氣溫度處于規(guī)定范圍內(nèi)，當叉車發(fā)動機沒有設置中冷器，會導致外界的高溫空氣會直接進入到發(fā)動機中，造成發(fā)動機內(nèi)部溫度過高，對發(fā)動機產(chǎn)生較大的損傷[1]。叉車冷卻系統(tǒng)也能夠和其它部件連接到一起，比如說變速箱油冷器等。通常情況下，為了盡可能的降低發(fā)動機冷卻系統(tǒng)占據(jù)的空間大小，將水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器結(jié)合起來，也就是復合式結(jié)構設計[2]。當下，我國叉車企業(yè)眾多，選取某叉車企業(yè)生產(chǎn)的FD300A型叉車，該叉車安裝了帶有渦輪增壓的發(fā)動機，冷卻系統(tǒng)散熱器采用的就是復合式結(jié)構設計，如圖1所示。

圖1中顯示的復式結(jié)構設計為串聯(lián)形式，即將水冷散熱器以及中冷器放置在上方，并按照前后順序進行排列，變速箱油冷器設計在冷卻系統(tǒng)的最下部。盡管這樣的設計具有一定的科學性，并且能夠滿足正常的冷卻系統(tǒng)使用需求，然而一些叉車操作人員則表示這樣規(guī)劃的冷卻系統(tǒng)散熱效果不理想，很容易出現(xiàn)發(fā)動機溫度超差的問題，影響到叉車的實際使用體驗。為了解決這樣的問題，對裝配有這種冷卻系統(tǒng)的叉車進行實踐檢測，在叉車發(fā)動機啟動之后，冷卻風扇開展進行工作，但是并未在水箱中發(fā)現(xiàn)水蒸氣或者冷卻液，節(jié)溫器也處于正常工作狀態(tài)，冷卻液在不停的流動，保持循環(huán)往復運動。在通過多次的實驗驗證與分析之后，得出串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)結(jié)構設計存在風阻過大的問題，很容易產(chǎn)生阻塞，導致發(fā)動機溫度超高標準上限值，與此同時這種冷卻系統(tǒng)結(jié)構是吹風樣式，風扇在工作過程中透風性不佳，也會導致發(fā)動機溫度過高[3]。

2? 叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計

針對上文中叉車發(fā)動機散熱器工作中存在的問題，對其進行優(yōu)化和改進，在實際設計過程中需要特別重視下面幾個方面[4]：第一，在符合實際安裝空間的前提下，盡可能的提高散熱器的有效散熱面積，從而改善散熱器的散熱效果;第二，選用新的水泵或者增加水泵的工作轉(zhuǎn)速，使得冷卻水的循環(huán)周期更短，獲得更快的冷卻水運行速度，然而這樣也會導致過多冷卻水消耗能量的問題產(chǎn)生;第三，增加風扇的旋轉(zhuǎn)速度或者提升風扇扇葉的有效面積，提高風扇的實際吹風量;第四，對散熱器結(jié)構進行改進和優(yōu)化，改善散熱器芯部位置的通風性能。

上述四種情形中，增加單位時間內(nèi)冷卻水的供應量以及散熱器的散熱量，現(xiàn)階段只是從理論層面得到證實，并且要確保供應的冷卻水流量具有一個科學合理的數(shù)值，當水流量過大時顯然也是不合理的。此外，增加散熱風扇的旋轉(zhuǎn)速度也不太切合實際，這是由于叉車發(fā)動機是安裝在尾部，與普通汽車發(fā)動機相反，是后置式，當風扇的轉(zhuǎn)速提高時，會產(chǎn)生較為嚴重的噪聲污染，為此，需要采用一種不增加散熱器風扇轉(zhuǎn)速，并能夠提高風扇散熱效果的方法。為了合理控制成本支出，對叉車現(xiàn)在使用的水泵以及風扇參數(shù)不作改變，可以考慮的優(yōu)化方案有以下幾點[5]：第一，提高散熱器有效散熱面積;第二，使用速比數(shù)值低的風扇;第三，盡可能的使用散熱器的正面積;第四，優(yōu)化散熱器結(jié)構布局，將三個冷卻裝置由串聯(lián)方式變化為并聯(lián)方式，一方面能夠降低芯子厚度，避免出現(xiàn)阻塞問題，另一方面也可以改善風阻，增加風扇的工作效率。

在進行叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計過程中，應當要額外增加一個膨脹水箱，其主要功能是去除掉發(fā)動機以及冷卻水箱中摻雜的空氣，改善冷卻液的熱交換效果，進而強化冷卻系統(tǒng)的散熱水平。膨脹水箱要布置在水冷散熱器上方，距離大概為4-6厘米。膨脹水箱的有效膨脹空間應當不小于冷卻系統(tǒng)總?cè)萘康?%，可以承載的水冷也不能夠低于系統(tǒng)總水量的12%，當有暖風時則要達到19%;膨脹水箱最低儲水量不能夠少于55mm，避免空氣灌輸?shù)阶⑺苤小Ｅ蛎浰渖弦O計一個液位鏡，便于觀察其中的水量[6]。

重新優(yōu)化設計的叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是采用并聯(lián)結(jié)構的散熱器，水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式規(guī)劃的，如圖2所示為散熱器并聯(lián)結(jié)構示意圖。

3? 叉車發(fā)動機優(yōu)化冷卻系統(tǒng)計算分析

3.1 關鍵設計參數(shù)

冷卻系統(tǒng)散熱量用Q表示，通常情況下，Q值大小需要通過發(fā)動機熱平衡實驗來獲得，然而在特殊情況下，也可以借鑒同種規(guī)格的發(fā)動機熱平衡實驗數(shù)值。在進行Q值計算過程中，主要受到冷卻液流量m、比熱容cp、首尾溫差dt的影響，其計算公式如下[7]：

3.2 散熱器結(jié)構優(yōu)化設計

依照發(fā)動機冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)散熱器的散熱量、外部尺寸等數(shù)據(jù)，可以得到散熱面積A、正面積以及散熱器關鍵尺寸。散熱器散熱面積A計算公式如下[8]：

緊接著依照整體設計要求，利用計算公式得到散熱器各個部位的關鍵尺寸，首先獲得散熱器芯部的長度L與寬度w尺寸，計算公式為：w=AR/L;緊接著計算芯部厚度δR，計算公式為：δR=A/（ARΦ），其中Φ表示為芯部的容積緊湊性系數(shù)，通常取值區(qū)間為480-950m2/m3[10]。

4? 結(jié)語

綜上所述，叉車是現(xiàn)代搬運機械中十分重要的一部分，在推動我國行業(yè)發(fā)展上發(fā)揮了關鍵性的作用。發(fā)動機是叉車正常運行的核心部件，能夠為叉車提供工作的動力，發(fā)動機運行環(huán)境惡劣、運轉(zhuǎn)要求較為苛刻，必須要確保發(fā)動機工作中始終處于合理的溫度區(qū)間內(nèi)，防止發(fā)動機因為溫度過高或者高低出現(xiàn)問題，以往的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)方式連接，實際散熱效果不佳，極易引發(fā)發(fā)動機溫度超差的問題。為了避免這種故障的出現(xiàn)，對叉車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，將水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式并聯(lián)起來，能夠有效提升冷卻系統(tǒng)散熱效果，保證發(fā)動機持續(xù)穩(wěn)定的運行。

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